Dificultades y desafíos de la investigación

Las capas de contacto selectivas de carga eléctrica de alta eficiencia existentes (como las capas monomoleculares autoensambladas,SAM) La mayoría de las células solares de Perovskita con brecha de energía estrecha se optimizan, y sus características de orden de energía no son una brecha de energía ancha..Grupo de Trabajo Mundial) diseño a medida de perovskita. Este desajuste del orden de energía de la interfaz conduce a una grave combinación no radiante, lo que conduce directamente a la pérdida de tensión de circuito abierto y la reducción del factor de llenado, lo que limita seriamente la eficiencia general de conversión de potencia del dispositivo.

El desafío central de este estudio es cómo ser sistemático yRegulación precisaSAMOrden de energíaPara que se relaje conGrupo de Trabajo MundialEl mineral de calcio y titanio alcanzaMejor coincidencia, de este modoReducir la pérdida compuesta de la interfaz y mejorar la eficiencia de la extracción de carga eléctrica, mejorarGrupo de Trabajo MundialRendimiento general de las baterías de Perovskita y las baterías apiladas.

Equipo de investigación y publicación

Este innovador estudio fue realizado porEl profesor Xue Jingjing yDeren Yang教授Codirector, los resultados de la investigación se publican en revistas académicas de renombre internacional Comunicaciones Naturaleza. El equipo muestra cómo aprovechar elEfecto inducidoRegulación precisa y sistemáticaSAMSobre la base de esto, se prepara un orden de energía de alta eficiencia.Grupo de Trabajo MundialBaterías de unión única de Perovskita yPerovskita con una eficiencia récord/ TOPConBatería apilada.

Logros y aspectos destacados de la investigación

l Innovación central: uso exitoso de los "efectos inducidos" en la estructura molecular(Efecto inductivo)"Para regular con precisión y sistemáticamente la capa monomolecular autoensamblada(SAM)Orden de energía.

l LograrSAMOptimización del orden de energía para igualar la brecha de energía ancha(Grupo de Trabajo)Demanda de baterías de PerovskitaSe resuelve el cuello de botella de eficiencia causado por el desajuste del orden de energía.

l Se confirma que contiene un grupo fuertemente donante de electrones.SAM PyAA-MeOSe construye la alineación de orden de energía de interfaz más favorableEsto promueve significativamente la extracción de agujeros y reduce considerablemente las pérdidas compuestas no radiantes.

l Preparación de alta eficienciaGrupo de Trabajo MundialBatería de unión única de perovskita, eficiencia de conversión de potencia(PCE)Máximo alcanzado22,8%Y tiene un alto voltaje de circuito abierto(COV)Y el factor de relleno(FF).

l El dispositivo muestra una excelente estabilidadExcelente rendimiento en una variedad de pruebas de envejecimiento acelerado, como iluminación, estrés térmico y rastreo de puntos de Potencia máxima.

l Basado en la optimizaciónSAMSe ha construido con éxito una Perovskita de alta eficiencia./ TOPConBatería apilada, lograda31,1%Eficiencia de conversión de potencia(Certificación de terceros como30,9%).

l A través del análisisPLQYComo resultado, se extrajo y cuantificaDivisión del orden cuasi fermilano(QFLS)Ganancias,PyAA-MeOMezclaLas películas de Perovskita muestranEl más grandeQFLSGanancia(48,1 meV), con los más altos observados en dispositivos fotovoltaicosCOVEl rendimiento coincide,Refleja la reducción de las pérdidas compuestas no radiantes.

l La eficiencia de esta batería apilada es la Perovskita reportada hasta ahora./ TOPConUna de las altas eficiencias de las baterías apiladas.

Figura 4e

Procesos y pasos experimentales

Figura1ab

Diseño molecular y síntesis El equipo de investigación diseñó y sintetizó una serie de polímeros basados en la estructura central del Pireno con grupos de anclaje acrílicos.SAMMoléculas, incluidasPyAA,PyAA-Br,PyAA-MeyPyAA-MeOCada molécula tiene diferentes grupos funcionales de propiedades electrónicas.

SAMPreparación de películas Se sintetizaráSAMLas moléculas se disuelven en un disolvente específico y se recubren por rotación enITOSe deposita en el sustrato para formar una película monomolecular, que luego es recocida para estabilizar la estructura de la película.

Preparación de películas de Perovskita EnSAMModificadoITOEn el sustrato, se prepara una solución precursor de Perovskita de brecha de energía ancha, se depositan películas de Perovskita mediante técnicas de recubrimiento rotativo y tratamiento antisolvente, y se recolocan.

Preparación de células solares de unión única aSAMModificaciónITOComo base, el depósito de mineral de calcio y titanio se deposita en orden, y la capa de transmisión electrónica se deposita mediante el método de evaporación por sobrecalentamiento de reesposición.LiF,C60,BCP) y electrodos de plata para completar la estructura invertida de células solares de Perovskita de unión única.

Preparación de células solares laminadas Se optimizará la batería de Perovskita de brecha de energía ancha (basada enPyAA-MeO) integración en la comercializaciónTOPConBatería de silicio cristalino. EnTOPConDeposición secuencial en sustrato de silicioNiOxCapas,SAM, mineral de calcio y titanio, capa pasiva superficial y capa intermedia..LiF,C60,SnO2) y estructura del electrodo superior..información,Ag,LiF), ensamblado en Perovskita/ TOPConCélulas solares laminadas.

Asistencia Informática teórica Simulación Computacional utilizando la teoría funcional de densidad y el primer principioSAMLas moléculas estánITOLa estructura e interacción de la superficie ayuda a comprender los fenómenos de observación experimental y guía el diseño experimental.

CaracterizaciónFangLey y resultados

1.J-VMedición característica

El equipo de investigación utiliza simulacionesAM 1,5 GEspectro(100 mW cm)-²(...)Unidad de medición de la fuente bajo irradiación(Keithley 2400)Llevar a caboJ-VMedición característica. Hacer un trabajo preciso y confiableJ-VLa medición requiere un simulador de luz solar de alta calidad.Guangyan TechnologyEnlitech SS-XSimulador de luz solar, suAM1.5GLos filtros utilizan tecnología avanzada de deposición por plasma, que tiene una precisión hiperespectral y una excelente durabilidad.

Los resultados muestran que se basa en diferentesSAMBrecha de energía anchaPSCSu eficiencia media es dePyAA-Brde12,9%Ascender gradualmente aPyAA-MeOde22,1%Entre ellos,PyAA-MeOEl dispositivo del sustrato funciona mejor y se logra22,8%dePCE, con1,24 VdeCOV、84,3%deFFy21,8 mA cm^-2 deJSC.

Imagen4aPresentación basada en diferentesSAMdePSCDispositivoJ-VCurva,Tabla1Se resumen los parámetros de rendimiento de estos dispositivos.

Imagen4ePor su parte, se muestran las baterías apiladasJ-VCurva.

2.Eficiencia cuántica externa(EQE)medición

Medir la eficiencia de la batería para producir transportistas bajo diferentes longitudes de onda de luz y verificarJ-VEn la mediciónJSCValor. Utilizado por el equipo de investigaciónEnlitech QE-RSistema de integración de eficiencia cuántica externaLa medición realizada en condiciones de cortocircuito utiliza un amplificador de bloqueo de fase y un preamplificador de corriente.EQELa medición puede comprender la respuesta de la batería en diferentes rangos espectrales.Guangyan TechnologyEnlitech QE-RSistema de medición de eficiencia cuántica, con alta repetibilidad(> 99.5%)Y está equipado con dos amplificadores de bloqueo de fase bifásico independientes, que pueden monitorear la Potencia óptica y la señal del dispositivo al mismo tiempo.

Imagen4b Comparación basada enPyAAyPyAA-MeODispositivoEQECurva.PyAA-MeODispositivos de sustratoEQELa curva muestra una respuesta más alta, calculada por la integralJSCEl valor es21,0 mA cm^-2, por encimaPyAADispositivos de sustrato20,2 mA cm^-2.EQEEl aumento de la corriente integral se atribuye a una alineación energética mejoradaExtracción de agujeros más eficaz.

Imagen4f Muestra Perovskita/.En dispositivos laminados de silicioGrupo de Trabajo MundialSubclase y silicioEQECurva, integralJSCLos valores son19,8 mA cm^-2 y19,7 mA cm^-2.

3.División del orden cuasi fermilano(QFLS)Y caracterización óptica relacionada

QFLS (División de Nivel Quasi-Fermi)Se describe la distribución de los niveles de energía no equilibrados de los transportistas fotogénicos bajo la luz para cuantificar los materiales.COVPotencial y ayuda a comprender las fuentes de pérdidas compuestas no radiantes. El equipo de investigación midió sobre la base de diferentesSAMPelícula de PerovskitaPLQY. utilizado por el equipo de investigaciónEnlitech LQE-50-EL (LQ-50)Sistema de eficiencia cuántica externa de Electroluminiscencia, recogerEQEEL.

A travésPLQYMedición, el estudio encontró que su valor sigueSAMEl grupo funcional aumenta la capacidad electrónica, desdePyAA-Brde0,70%SubirPyAA-MeOde5,71%. División del orden de cuasi - Fermi basada en este cálculo(QFLS)El valor de mejora también muestra la misma tendencia, desdePyAA-Brde17,2 mVAumentarPyAA-MeOde48,1 mV, PyAA-MeOMuestra el máximoQFLSmejorar, que es el voltaje de apertura más alto de su dispositivo(COV)Muy consistente. Además, todo el dispositivoEQEELLas mediciones confirman aún más,EQEELEl valor aumenta a medida que el grupo funcional mejora la capacidad electrónica, lo que hace quePyAA-MeOPérdida de tensión del dispositivo()ΔV)Mínimo(Solo0,18 mV). estos excelentes punteros de rendimiento fotoeléctrico se derivan de una alineación energética de interfaz favorable,Promueve la extracción de agujeros de alta eficienciaYReducción significativa de la recombinación de carga en la interfaz.

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4.Corriente óptica instantánea(TPC)Medición de atenuación

Se estudia la dinámica de extracción de transportistas (agujeros) en condiciones de cortocircuito. La optimización de la alineación de energía de interfaz causada por el efecto de inducción del Grupo de metoxigenación electrónica promueve efectivamente la extracción rápida de agujeros.(Imagen3d)

Otras caracterizaciones

1.XDifractividad de rayos X(XRD):Evaluar la calidad cristalina de las películas de perovskita. Los picos y la intensidad son casi los mismos en cada muestra y apenas se han observadoPbI₂ Pico33Muestra que los diferentes grupos funcionales tienen poco efecto en la cristalización de la perovskita.(Imagen2a)

2.Incidencia de pastoreo bidimensional de gran ánguloXDispersión de rayos(GIWAXS 2D)

Se estudia la orientación cristalina de las películas de Perovskita depositadas en diferentes sustratos. En los cuatro casos, la orientación cristalina de las películas de Perovskita es similar. Esto confirma aún más el cambioSAMLos grupos funcionales no tienen un impacto significativo en la cristalización y orientación de las películas de perovskita.(ImagenS 24)

3.Microscopio electrónico de barrido(SEM)

Observar la morfología de la superficie de las películas de perovskita.SAMEl impacto de la modificación del grupo funcional en la calidad de las películas de mineral de calcio y titanio depositadas por encima es insignificante.(Imagen2b)

4.Ultravioleta-Espectro visible(Espectroscopia UV-vis)

Evaluar las propiedades de absorción óptica y las brechas ópticas de las películas de perovskita. Formas e intensidades espectrales similares muestran que los cambios en los grupos funcionales no han cambiado la absorción de luz y la brecha de banda óptica de los materiales de perovskita.(Imagen2c)

5.Espectro de energía electrónica ultravioleta(UPS)

obtenerSAMModificadoITOInformación sobre el nivel de energía de la superficie y análisisSAMAlineación energética con la interfaz de perovskita. Demostrar que las mejoras observadas en la alineación energética se derivan principalmente deSAMCambios en el nivel de energía.(Imagen3b)

6.Microscopio de fuerza de sonda Kelvin(KPFM)

mediciónSAMCambios en el potencial eléctrico superficial de la superficie modificada. Muestra que el potencial eléctrico superficial disminuye a medida que aumenta la capacidad del grupo funcional para dar electrones, lo que indica quePyAA-BrAPyAA-MeOdepEl comportamiento tipográfico es cada vez más obvio.(ImagenS 30)

7.Fotoluminiscencia resuelta en el tiempo(trpl)

Se estudia la dinámica de los transportistas en las películas de perovskita, especialmente el proceso de extracción de carga eléctrica.PyAA-MeOEl primer intervalo en la curva de vida diferencial de la muestra de base es el más corto, un tramo dominado principalmente por el proceso de transferencia de carga, lo que confirmaPyAA-MeOExcelente capacidad de extracción de carga de interfaz.(Imagen3c)

9.Resolución temporalPLEspectro yMapeo PL

Evaluar la estabilidad luminosa de las películas de perovskita. Luz 24 Horas después, todas las muestrasPLLos lanzamientos mostraron un desplazamiento al rojo similar. Esto confirmaSAMEl efecto de los grupos funcionales en la estabilidad de fase de las películas de Perovskita de brecha de energía ancha es insignificante.(ImagenS 26.27)

10.Rastreo de puntos de potencia máxima(MPPT)Prueba de estabilidad(Prueba de estabilidad MPPT)

Evaluar la estabilidad a largo plazo del dispositivo bajo luz continua.ImagenS 39 ProporcionadoMPPTCurva de seguimiento. Los dispositivos no envueltos en el informe de investigación están60 °CAbajo 400 horaMPPTDespués de la prueba, basada enPyAA-MeOLos dispositivos se mantienen por encima99%Eficiencia inicial. En la cita 2500 En diferentes pruebas de envejecimiento acelerado durante horas, su eficiencia se mantiene por encima96%Muestra su mayor resistencia a los estímulos externos.

11.Prueba de envejecimiento acelerado(Pruebas de envejecimiento acelerado)

Evaluar la vida útil a largo plazo del dispositivo en condiciones aceleradas. El dispositivo está en aproximadamente 2500 Todavía se puede mantener más allá de las horas.96%Eficiencia inicial.

Resumen del estudio

Regulación precisaSAMEstrategia de nivel energético La investigación ha desarrollado con éxito una estrategia que utiliza el efecto de inducción de grupos funcionales para regular con precisión y sistemáticamente el orden de energía de una sola capa molecular autoensamblada, proporcionando un método clave para personalizar la interfaz para coincidir con la Perovskita de brecha energética específica.

Optimización del orden de energía de la interfaz y extracción de carga eléctrica Mediante la introducción de grupos de metoxi con una fuerte capacidad electrónica..PyAA-MeO), optimizado con éxitoSAMLa alineación del orden de energía de la interfaz con la Perovskita de brecha de energía ancha crea una curva de banda de energía propicia para la extracción de agujeros eléctricos, lo que se confirma experimentalmente.PyAA-MeOTiene una excelente capacidad de extracción de carga eléctrica de interfaz.

Nudo únicoGrupo de Trabajo MundialAlta eficiencia de las baterías de Perovskita Optimizado con orden de energíaPyAA-MeOComo capa de selección de agujeros eléctricos, se ha mejorado significativamente.Grupo de Trabajo MundialRendimiento de las células solares de perovskita, el dispositivo alcanza22,8%La eficiencia de conversión fotoeléctrica se debe principalmente a la mejora de la extracción de agujeros de interfaz y la reducción de las pérdidas compuestas no radiantes.

Reducción efectiva de la combinación no radiante y la pérdida de voltaje La alineación optimizada del orden de energía de la interfaz y la extracción de agujeros de alta eficiencia reducen efectivamente la composición no radiante del dispositivo.PLQY,QFLS,EQE_ELLas pruebas muestran que,PyAA-MeOEl dispositivo tiene una pérdida compuesta no radiante y una pérdida mínima de voltaje de circuito abierto.

Lograr células solares apiladas de alta eficiencia Será de alto rendimientoGrupo de Trabajo MundialSubclase de Perovskita (conPyAA-MeO) integración en la comercializaciónTOPConBatería de silicio cristalino, construcción exitosa de Perovskita de alta eficiencia/ TOPConCélulas solares laminadas.1 cm²Los dispositivos laminados de área activa alcanzan31,1%Eficiencia (certificación de terceros)30,91%), paraTOPConUna de las eficiencias reportadas por las baterías apiladas.

Muestra la estabilidad del dispositivoPyAA-MeOEl dispositivo muestra un excelente funcionamiento y estabilidad térmica. En la prueba de envejecimiento acelerado, los dispositivos no encapsulados incluyen seguimiento de puntos de Potencia máxima, iluminación continua y calentamiento continuo, que se mantienen después de un largo período de funcionamiento.96% - 99%Eficiencia inicial.

SAMTiene un ligero impacto en las películas de perovskita. De diferentes grupos funcionalesSAMTiene poco impacto en la cristalización, morfología, propiedades ópticas y estabilidad óptica de las películas de Perovskita depositadas en ellas, lo que confirma además que la mejora del rendimiento del dispositivo se debe principalmente aSAMMejora de la interfaz con la perovskita, no cambios en la propia película de perovskita.

Referencias documentales desde Nature Communications doi: 10.1038 / s41467 - 025 - 59.896 - 8

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